CN203705635U - 一种新型tvlf探水雷达同步系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种新型TVLF探水雷达同步系统，主要由系统电源、核心控制板、恒温晶振模块、以及双极性转换模块组成；系统电源连接核心控制板，恒温晶振模块和双极性转换模块与核心控制板相连。核心控制板包括卫星授时接收机、可编程逻辑控制单元、存储单元、键盘、以及显示单元；卫星授时接收机和键盘的输出端连接可编程逻辑控制单元；恒温晶振模块和存储单元与可编程逻辑控制单元相互连接；双极性转换模块和显示单元的输入端连接可编程逻辑控制单元。本实用新型能够在TVLF探水雷达的发射机与接收机之间加入一个同步信号，并具有精度高、稳定性和抗干扰性强的特点。

Description

一种新型TVLF探水雷达同步系统

技术领域

本实用新型涉及TVLF探水雷达技术领域，具体涉及一种新型TVLF探水雷达同步系统。

背景技术

根据TVLF探水雷达的基本理论，接收机采集信号的最佳时机为发射机关断的1μs之内，超过1μs后所采到的信号误差较大。由于TVLF探水雷达的这种特性，就需要在发射机与接收机之间加入一个同步信号，以便控制其同步作业。但TVLF探水雷达实际应用时多为野外探测，发射机与接收机往往是远距离异地作业的，而且发射机与接收机之间的地形不确定，这就使得同步电缆进行同步的方法不适用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型TVLF探水雷达同步系统，其能够在TVLF探水雷达的发射机与接收机之间加入一个同步信号，并具有精度高、稳定性和抗干扰性强的特点。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种新型TVLF探水雷达同步系统，主要由系统电源、核心控制板、恒温晶振模块、以及双极性转换模块组成；系统电源连接核心控制板，恒温晶振模块和双极性转换模块与核心控制板相连；

上述核心控制板包括卫星授时接收机、可编程逻辑控制单元、存储单元、键盘、以及显示单元；卫星授时接收机和键盘的输出端连接可编程逻辑控制单元；恒温晶振模块和存储单元与可编程逻辑控制单元相互连接；双极性转换模块和显示单元的输入端连接可编程逻辑控制单元。

上述方案中，所述可编程逻辑控制单元包括软核控制模块、频率调节模块和分频模块；软核控制模块的输入端连接卫星授时接收机和键盘，软核控制模块的输出端连接分频模块和显示单元，软核控制模块的输入输出端与存储单元相互连接；频率调节模块的输入端连接卫星授时接收机和恒温晶振模块，频率调节模块的输出端连接恒温晶振模块；分频模块的输入端连接卫星授时接收机和恒温晶振模块，分频模块的输出端连接双极性转换模块。

上述方案中，所述频率调节模块包括秒脉冲滤波器、倍频器、频率调节计数器、差值比较器和PI调节器；卫星授时接收机的输出端经秒脉冲滤波器连接频率调节计数器的一个输入端，恒温晶振模块的输出端经倍频器连接频率调节计数器的另一个输入端，频率调节计数器的输出端连接差值比较器的输入端，差值比较器的输出端经PI调节器与恒温晶振模块的输入端相连。

上述方案中，所述分频模块包括分频计数器和分频器；卫星授时接收机的输出端经一秒脉冲滤波器连接分频计数器的输入端；分频计数器、软核控制模块和恒温晶振模块的输出端分别连接分频器的3个输入端；分频器的2个输出端连接双极性转换模块的输入端。

上述方案中，所述恒温晶振模块包括DA转换器、电压调理器和晶振器；DA转换器、电压调理器和晶振器均与系统电源连接；可编程逻辑控制单元的频率调节模块的输出端与DA转换器的输入端连接，DA转换器的输出端经电压调理器与晶振器的输入端连接，晶振器的输出端分别连接可编程逻辑控制单元的频率调节模块和分频模块的输入端。

上述方案中，所述晶振器的输出端与可编程逻辑控制单元的输入端之间通过SMA连接器进行连接。

上述方案中，所述双极性转换模块包括4个比较器和4个二极管；第一比较器的正向输入端和第四比较器的反向输入端同时与可编程逻辑控制单元的分频模块的第一输出端连接；第二比较器的反向输入端和第三比较器的正向输入端同时与可编程逻辑控制单元的分频模块的第二输出端连接；第一比较器的反向输入端、第二比较器的正向输入端、第三比较器的反向输入端和第四比较器的正向输入端同时连接系统电源；第一比较器的输出端连接第一二极管的阳极，第二比较器的输出端连接第二二极管的阴极，第一二极管的阴极和第一二极管的阳极相连后形成本新型TVLF探水雷达同步系统的第一同步控制信号输出端；第三比较器的输出端连接第三二极管的阳极，第四比较器的输出端连接第四二极管的阴极，第三二极管的阴极和第四二极管的阳极相连后形成本新型TVLF探水雷达同步系统的第二同步控制信号输出端。

上述方案中，所述核心控制板还进一步包括核心控制板电源模块，从而实现核心控制板与设备的分离。

与现有技术相比，本实用新型的特点如下：

1、利用GPS授时系统与高稳恒温晶振有机结合，采用卫星授时接收机提供的固定频率信号，与本地振荡器产生的振荡信号进行实时比对，进而实时调节本地恒温晶体振荡器，使振荡频率与卫星的振荡频率基本一致，使恒温晶振的精度再次提高。同时利用卫星授时接收机提供的固定频率信号来自动消除同步系统产生的最终同步信号的积累相位差，免去了在每次探测前需要对两台同步系统进行手动消除相位差。本实用新型的同步精度由以往的300ns提高到了100ns之内，且经过驯服的恒温晶振在系统未锁定卫星的情况下可有效工作40分钟，提高了系统的稳定性和抗干扰性。

2、采用PID算法对恒温晶振进行校频，使恒温晶振的频率锁定在卫星原子钟上，大大提高了恒温晶振的精度，而且校频后的恒温晶振即使在卫星授时接收机未锁定卫星的情况下也能满足理论值和实际应用要求的工作40分钟，足够卫星接收机在这段时间从新锁定卫星。

3、利用卫星授时接收机提供的固定频率信号来自动消除同步系统产生的最终同步信号的积累相位差，再次提高同步精度，使其达到100ns以内。

4、系统集成度高、易升级、易维护，较现有同步系统的单片机+CPLD方案更适合批量生产，所耗费人力大大减小。

5、根据探测深度不同，TVLF探水雷达所发射信号频率也不相同，因此同步设备发出的同步信号频率也不相同，本专利可通过键盘方便的设置同步信号频率，代码具有较强的通用性。

6、核心控制板与设备分离式设计。野外探测时需要对探测点进行坐标定位，本专利的核心控制部分（包含FPGA、卫星接收机和显示屏）可从同步设备主板中分离成为简易的卫星坐标定位手持设备，采用7.2V锂电供电，可脱离主机持续工作8小时以上，坐标定位完成装回主机，7.2V锂电池自动进行充电，充电完成后整套设备只用主机的14.8V电源供电。设备主机包含恒温晶振、电源管理模块和为设备供电的锂电池组。恒温晶振与核心控制板之间采用SMA连接器的同轴电缆连接，以确保信号的完整性。

附图说明

图1为本实用新型总体框图；

图2为频率调节模块的原理框图；

图3为分频模块的原理框图；

图4为恒温晶振模块的原理框图；

图5为双极性转换模块的原理框图。

具体实施方式

一种新型TVLF探水雷达同步系统，如图1所示。主要由系统电源、核心控制板、恒温晶振模块、以及双极性转换模块组成。上述核心控制板包括核心控制板电源模块、以及与核心控制板电源模块相连的卫星授时接收机、可编程逻辑控制单元、存储单元、键盘、以及显示单元。其中可编程逻辑控制单元又包括软核控制模块、频率调节模块和分频模块。

可编程逻辑控制单元包括软核控制模块、频率调节模块和分频模块。软核控制模块的输入端连接卫星授时接收机和键盘，软核控制模块的输出端连接分频模块和显示单元，软核控制模块的输入输出端与存储单元相互连接。频率调节模块的输入端连接卫星授时接收机和恒温晶振模块，频率调节模块的输出端连接恒温晶振模块。分频模块的输入端连接卫星授时接收机和恒温晶振模块，分频模块的输出端连接双极性转换模块。可编程逻辑控制单元可以采用实体硬件实现，也可以采用硬件编程语言实现。在本实用新型优选实施例中，系统的核心控制芯片即可编程逻辑控制单元采用的是Altera公司的Cyclone II系列FPGA，主要完成频率调节功能和时钟分频，并利用剩余资源加入了定制的软核CPU，用来完成NMEA信息解析、输出频率控制和信息显示。加入外部SDRAM存储单元，用于运行软核程序。由于系统需要按键操作的地方较少，故未定制矩阵键盘贴，用5个轻触按键作为键盘，分别为上、下和确定，预留2个以便后续扩展。显示单元采用带有16位8080接口的3.5寸TFT液晶屏，该显示单元带有采用APW7209设计的背光升压电路，和ADS7843触摸控制电路。

频率调节模块是提高整个系统精度的重要部分，包括秒脉冲滤波器、倍频器、频率调节计数器、差值比较器和PI调节器。参见图2。卫星授时接收机的输出端经秒脉冲滤波器连接频率调节计数器的一个输入端，恒温晶振模块的输出端经倍频器连接频率调节计数器的另一个输入端，频率调节计数器的输出端连接差值比较器的输入端，差值比较器的输出端经PI调节器与恒温晶振模块的输入端相连。在本实用新型优选实施例中，频率调节模块采用硬件编程语言实现。首先对恒温晶振模块的10MHz输出时钟进行倍频以减小计数误差，倍频用FPGA内部锁相环，考虑到FPGA的最大时钟频率，倍频系数选为10。由于卫星授时接收机发送的1PPS具有随机误差，所以在使用之前要进行滤波处理，本专利中采用了秒脉冲滤波器即卡尔曼(Kalman)滤波器来处理随机误差。利用相邻两个1PPS脉冲上升沿控制内部频率调节计数器的开始和停止，并将所得计数值与100MHz时钟1秒内应计得的数值(108)比较，将差值送入调节器，通过PI调节器得出调节量，再通过DAC来产生调节电压以达到频率调节的目的。

分频模块产生的信号质量直接影响着同步系统最终输出信号的质量，其包括分频计数器和分频器。参见图3。卫星授时接收机的输出端经一秒脉冲滤波器连接分频计数器的输入端，分频计数器、软核控制模块和恒温晶振模块的输出端分别连接分频器的3个输入端，分频器的2个输出端连接双极性转换模块的输入端。在本实用新型优选实施例中，分频模块同样采用硬件编程语言实现。通过软核控制器的频率选择预置分频计数器计数值，产生两路相应频率的具有180°相差、占空比为25%的方波信号。为消除恒温晶振的积累误差，利用卫星授时接收机输出端的秒脉冲滤波器进行滤波，滤波处理后的1PPS用于定时复位分频计数器来达到消除积累误差的效果，复位周期为所选信号周期的整数倍，以避免出现不完整周期。

恒温晶振模块包括DA转换器、电压调理器和晶振器。DA转换器、电压调理器和晶振器均与系统电源连接。参见图4。可编程逻辑控制单元的频率调节模块的输出端与DA转换器的输入端连接，DA转换器的输出端经电压调理器与晶振器的输入端连接，晶振器的输出端分别连接可编程逻辑控制单元的频率调节模块和分频模块的输入端。在本实用新型优选实施例中，晶振器采用俄罗斯莫里恩(Morion)公司生产的低相噪、低漂移薄型10MHz双恒温槽超精密恒温晶体振荡器MV180作为同步时钟的时钟源。DA转换器采用16位DAC8560，单通道数模转换器其内部集成了上电复位电路，从而确保了D/A转换器能够在上电后输出为零电平同时保持已知的输出阻抗状态，直到有验证码写入该器件。由于晶振器调节电压的范围为0V至10V，而DAC8560输出电压范围为0V至5V，不能满足晶振器压控端所要求的取值范围，因此有必要设计电压的调理电路将DAC的输出进行适当地放大以满足晶振压控的电压要求。电压调理器采用TI公司的双路低噪声轨至轨运算放大器TLC2272来设计，将DAC8560的输出控制在0V至10V之内。运算放大器采用±5V双电源供电，晶振器需+12V供电，所以该模块的输入电压设置为+12V，用LM1117-5稳压芯片得到+5V，再利用电荷泵电压转换器ADM660来产生运算放大器所需的±5V电压。由于本实用新型的核心控制部分与主机采用分离式设计，恒温晶振模块放置在主机部分，为保证信号的完整性，采用带有SMA连接器的同轴电缆将10MHz时钟引入核心控制部分，既保证拆卸方便，同时信号完整性好。

双极性转换模块将FPGA分频后的单极性方波转换成双极性同步控制信号，其包括4个比较器和4个二极管。参见图5。第一比较器的正向输入端和第四比较器的反向输入端同时与可编程逻辑控制单元的分频模块的第一输出端连接。第二比较器的反向输入端和第三比较器的正向输入端同时与可编程逻辑控制单元的分频模块的第二输出端连接。第一比较器的反向输入端、第二比较器的正向输入端、第三比较器的反向输入端和第四比较器的正向输入端同时连接系统电源。第一比较器的输出端连接第一二极管的阳极，第二比较器的输出端连接第二二极管的阴极，第一二极管的阴极和第一二极管的阳极相连后形成本新型TVLF探水雷达同步系统的第一同步控制信号输出端。第三比较器的输出端连接第三二极管的阳极，第四比较器的输出端连接第四二极管的阴极，第三二极管的阴极和第四二极管的阳极相连后形成本新型TVLF探水雷达同步系统的第二同步控制信号输出端。在本实用新型优选实施例中，比较器采用TI公司的双路差动电压比较器LM393，基准电压设置为2.5V。输入端IN1、IN2为分频模块产生的具有180°相差、占空比为25%的方波信号。以第一和第二比较器为例：当IN1、IN2均为0电平，第一比较器输出负电平，被D1截止，第二比较器输出正电平，同样被D2截止，所以OUT1得到0电平；当IN1为正电平、IN2为0电平，第一比较器输出正电平，经D1到达OUT1，第二比较器输出正电平，被D2截止，所以OUT1得到正电平；当IN1为0电平、IN2为正电平，第一比较器输出负电平，被D1截止，第二比较器输出负电平，经D2到达OUT1，所以OUT1得到负电平；由于IN1、IN2相差为180°所以不存在同时为高电平的时刻。这样输出OUT1就得到了与输入同频率的双极性信号。同理，输出OUT2得到的为与OUT1具有180°相差的双极性信号。这两路双极性信号就是TVLF探水雷达发射机与接收机的同步控制信号。

为了实现本实用新型的可分离式设计，使得核心控制器脱离主机后可作为手持设备用于野外探测坐标定位，因此需要增设一核心控制板电源模块给核心控制板供电。该核心控制板电源模块与可编程逻辑控制单元相连。为保证其工作时间满足野外探测需求，核心控制板电源模块采用了高转换效率的电源器件和电源管理方案。电源器件采用TI公司的TPS6211X系列电源管理芯片，输入电压范围为3.1到17V，最大1.5A的输出电流，最高95%的转换效率。采用TPS62111输出3.3V电压；通过设置TPS62110的外围电路，输出1.2V电压；采用TPS62112输出5V电压。电池采用定制的7.2V锂电池组，该电源模块转换效率高，性能稳定，输出电压值完全满足核心控制板的使用。充电管理芯片采用TI公司的锂电池充电管理芯片BQ2057W，电路简单可靠，输入电压范围为4.5V到15V。

系统电源，主机电源采用定制的14.8V锂电池组，主机电源需要输出±12V用于双极性转换电路的比较器供电，+12V/1A用于恒温晶振供电，由于主机电源输出满足核心控制板的电压输入，因此为过多增加这方面的电源管理电路。比较器的±12V电压采用UC3843B产生，通过高频变压器换能将电压输出到次级绕组上，次级绕组1:1抽头，再经整流和滤波得到±12V。恒温晶振功率加大，开机升温阶段最大电流为1A，为满足其电压需求，采用TI公司的TPS54231，该电源芯片输入电压范围为3.5V到28V，最大输出电流为2A，通过调整外围元件已达到设计要求。

Claims (8)

1.一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：主要由系统电源、核心控制板、恒温晶振模块、以及双极性转换模块组成；系统电源连接核心控制板，恒温晶振模块和双极性转换模块与核心控制板相连；

上述核心控制板包括卫星授时接收机、可编程逻辑控制单元、存储单元、键盘、以及显示单元；卫星授时接收机和键盘的输出端连接可编程逻辑控制单元；恒温晶振模块和存储单元与可编程逻辑控制单元相互连接；双极性转换模块和显示单元的输入端连接可编程逻辑控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制单元包括软核控制模块、频率调节模块和分频模块；软核控制模块的输入端连接卫星授时接收机和键盘，软核控制模块的输出端连接分频模块和显示单元，软核控制模块的输入输出端与存储单元相互连接；频率调节模块的输入端连接卫星授时接收机和恒温晶振模块，频率调节模块的输出端连接恒温晶振模块；分频模块的输入端连接卫星授时接收机和恒温晶振模块，分频模块的输出端连接双极性转换模块。

3.根据权利要求2所述的一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：所述频率调节模块包括倍频器、频率调节计数器、差值比较器和PI调节器；卫星授时接收机的输出端经一秒脉冲滤波器连接频率调节计数器的一个输入端，恒温晶振模块的输出端经倍频器连接频率调节计数器的另一个输入端，频率调节计数器的输出端连接差值比较器的输入端，差值比较器的输出端经PI调节器与恒温晶振模块的输入端相连。

4.根据权利要求2所述的一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：所述分频模块包括分频计数器和分频器；卫星授时接收机的输出端经同一秒脉冲滤波器连接分频计数器的输入端；分频计数器、软核控制模块和恒温晶振模块的输出端分别连接分频器的3个输入端；分频器的2个输出端连接双极性转换模块的输入端。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：所述恒温晶振模块包括DA转换器、电压调理器和晶振器；DA转换器、电压调理器和晶振器均与系统电源连接；可编程逻辑控制单元的频率调节模块的输出端与DA转换器的输入端连接，DA转换器的输出端经电压调理器与晶振器的输入端连接，晶振器的输出端分别连接可编程逻辑控制单元的频率调节模块和分频模块的输入端。

6.根据权利要求5所述的一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：所述晶振器的输出端与可编程逻辑控制单元的输入端之间通过SMA连接器进行连接。

7.根据权利要求2～4中任意一项所述的一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：所述双极性转换模块包括4个比较器和4个二极管；第一比较器的正向输入端和第四比较器的反向输入端同时与可编程逻辑控制单元的分频模块的第一输出端连接；第二比较器的反向输入端和第三比较器的正向输入端同时与可编程逻辑控制单元的分频模块的第二输出端连接；第一比较器的反向输入端、第二比较器的正向输入端、第三比较器的反向输入端和第四比较器的正向输入端同时连接系统电源；第一比较器的输出端连接第一二极管的阳极，第二比较器的输出端连接第二二极管的阴极，第一二极管的阴极和第一二极管的阳极相连后形成本新型TVLF探水雷达同步系统的第一同步控制信号输出端；第三比较器的输出端连接第三二极管的阳极，第四比较器的输出端连接第四二极管的阴极，第三二极管的阴极和第四二极管的阳极相连后形成本新型TVLF探水雷达同步系统的第二同步控制信号输出端。

8.根据权利要求1所述的一种新型TVLF探水雷达同步系统，其特征在于：所述核心控制板还进一步包括核心控制板电源模块。